超聲波加工技術(shù)

1、超聲波加工超聲波加工超聲波加工技術(shù)超聲波加工技術(shù)超聲波加工超聲波加工1超聲波加工的原理與特點(diǎn)超聲波加工的原理與特點(diǎn) 1) 加工原理加工原理超聲波加工是利用振動(dòng)頻率超過(guò)超聲波加工是利用振動(dòng)頻率超過(guò)16 000 Hz的工具的工具頭，通過(guò)懸浮液磨料對(duì)工件進(jìn)行成型加工的一種方法，頭，通過(guò)懸浮液磨料對(duì)工件進(jìn)行成型加工的一種方法，其加工原理如圖其加工原理如圖1所示。所示。超聲波加工超聲波加工圖圖1 超聲波加工原理圖超聲波加工原理圖加工力工具工件振動(dòng)方向磨料工作液工具振幅超聲波加工超聲波加工 當(dāng)工具以當(dāng)工具以16 000 Hz以上的振動(dòng)頻率作用于懸浮液磨料時(shí)，以上的振動(dòng)頻率作用于懸浮液磨料時(shí)，磨料便以極高的

2、速度強(qiáng)力沖擊加工表面；同時(shí)由于懸浮液磨磨料便以極高的速度強(qiáng)力沖擊加工表面；同時(shí)由于懸浮液磨料的攪動(dòng)，使磨粒以高速度拋磨工件表面；此外，磨料液受料的攪動(dòng)，使磨粒以高速度拋磨工件表面；此外，磨料液受工具端面的超聲振動(dòng)而產(chǎn)生交變的沖擊波和工具端面的超聲振動(dòng)而產(chǎn)生交變的沖擊波和“空化現(xiàn)象空化現(xiàn)象”。 所謂空化現(xiàn)象，是指當(dāng)工具端面以很大的加速度離開(kāi)工件所謂空化現(xiàn)象，是指當(dāng)工具端面以很大的加速度離開(kāi)工件表面時(shí)，加工間隙內(nèi)形成負(fù)壓和局部真空，在磨料液內(nèi)形成表面時(shí)，加工間隙內(nèi)形成負(fù)壓和局部真空，在磨料液內(nèi)形成很多微空腔；當(dāng)工具端面以很大的加速度接近工件表面時(shí)，很多微空腔；當(dāng)工具端面以很大的加速度接近工件表面時(shí)

3、，空泡閉合，引起極強(qiáng)的液壓沖擊波，從而使脆性材料產(chǎn)生局空泡閉合，引起極強(qiáng)的液壓沖擊波，從而使脆性材料產(chǎn)生局部疲勞，引起顯微裂紋。部疲勞，引起顯微裂紋。 這些因素使工件的加工部位材料粉碎破壞，隨著加工的不這些因素使工件的加工部位材料粉碎破壞，隨著加工的不斷進(jìn)行，工具的形狀就逐漸斷進(jìn)行，工具的形狀就逐漸“復(fù)制復(fù)制”在工件上。在工件上。超聲波加工超聲波加工由此可見(jiàn)，超聲波加工是磨粒的機(jī)械撞擊和拋磨作用以由此可見(jiàn)，超聲波加工是磨粒的機(jī)械撞擊和拋磨作用以及超聲波空化作用的綜合結(jié)果，磨粒的撞擊作用是主要的。及超聲波空化作用的綜合結(jié)果，磨粒的撞擊作用是主要的。因此，材料愈硬脆，愈易遭受撞擊破壞，愈易進(jìn)行超聲

4、波加因此，材料愈硬脆，愈易遭受撞擊破壞，愈易進(jìn)行超聲波加工。工。2) 特點(diǎn)特點(diǎn)超聲波加工的主要特點(diǎn)如下：超聲波加工的主要特點(diǎn)如下：(1) 適合于加工各種硬脆材料，特別是某些不導(dǎo)電的非金適合于加工各種硬脆材料，特別是某些不導(dǎo)電的非金屬材料，例玻璃、陶瓷、石英、硅、瑪瑙、寶石、金剛石等。屬材料，例玻璃、陶瓷、石英、硅、瑪瑙、寶石、金剛石等。也可以加工淬火鋼和硬質(zhì)合金等材料，但效率相對(duì)較低。也可以加工淬火鋼和硬質(zhì)合金等材料，但效率相對(duì)較低。 (2) 由于工具可用較軟的材料、做成較復(fù)雜的形狀，故不由于工具可用較軟的材料、做成較復(fù)雜的形狀，故不需要使工具和工件作比較復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)。需要使工具和工件作比較復(fù)雜

5、的運(yùn)動(dòng)。超聲波加工超聲波加工 (3) 加工時(shí)宏觀切削力很小，不會(huì)引起變形、燒加工時(shí)宏觀切削力很小，不會(huì)引起變形、燒傷。表面粗糙度傷。表面粗糙度Ra值很小，可達(dá)值很小，可達(dá)0.1 m，加工精度可，加工精度可達(dá)達(dá)0.050.02 mm，而且可以加工薄壁、窄縫、低剛度，而且可以加工薄壁、窄縫、低剛度的零件。的零件。 (4) 加工機(jī)床結(jié)構(gòu)和工具均較簡(jiǎn)單，操作維修方加工機(jī)床結(jié)構(gòu)和工具均較簡(jiǎn)單，操作維修方便。便。 (5) 生產(chǎn)率較低。這是超聲波加工的一大缺點(diǎn)。生產(chǎn)率較低。這是超聲波加工的一大缺點(diǎn)。超聲波加工超聲波加工2. 超聲波加工設(shè)備超聲波加工設(shè)備 超聲波加工裝置如圖超聲波加工裝置如圖2所示。盡管不同功

6、率大小、所示。盡管不同功率大小、不同公司生產(chǎn)的超聲波加工設(shè)備在結(jié)構(gòu)形式上各不相同，不同公司生產(chǎn)的超聲波加工設(shè)備在結(jié)構(gòu)形式上各不相同，但一般都由高頻發(fā)生器、超聲振動(dòng)系統(tǒng)但一般都由高頻發(fā)生器、超聲振動(dòng)系統(tǒng)(聲學(xué)部件聲學(xué)部件)、機(jī)、機(jī)床本體和磨料工作液循環(huán)系統(tǒng)等部分組成。床本體和磨料工作液循環(huán)系統(tǒng)等部分組成。超聲波加工超聲波加工圖圖2 超聲波加工裝置超聲波加工裝置123456781冷卻器；2磨料懸浮液抽出；3工具；4工件；5磨料懸浮液送出；6變幅桿；7換能器；8高頻發(fā)生器超聲波加工超聲波加工1) 高頻發(fā)生器高頻發(fā)生器 高頻發(fā)生器即超聲波發(fā)生器，其作用是將低頻交高頻發(fā)生器即超聲波發(fā)生器，其作用是將低頻

7、交流電轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢üβ瘦敵龅某曨l電振蕩，以供流電轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢üβ瘦敵龅某曨l電振蕩，以供給工具往復(fù)運(yùn)動(dòng)和加工工件的能量。給工具往復(fù)運(yùn)動(dòng)和加工工件的能量。2) 聲學(xué)部件聲學(xué)部件 聲學(xué)部件的作用是將高頻電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械振動(dòng)，聲學(xué)部件的作用是將高頻電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械振動(dòng)，并以波的形式傳遞到工具端面。聲學(xué)部件主要由換能并以波的形式傳遞到工具端面。聲學(xué)部件主要由換能器、振幅擴(kuò)大棒及工具組成。換能器的作用是把超聲器、振幅擴(kuò)大棒及工具組成。換能器的作用是把超聲頻電振蕩信號(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)械振動(dòng)；振幅擴(kuò)大棒又稱(chēng)變幅頻電振蕩信號(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)械振動(dòng)；振幅擴(kuò)大棒又稱(chēng)變幅桿，其作用是將振幅放大。桿，其作用是將振幅放大。超聲波加工

8、超聲波加工由于換能器材料伸縮變形量很小，在共振情況下也超不由于換能器材料伸縮變形量很小，在共振情況下也超不過(guò)過(guò)0.0050.01 mm，而超聲波加工卻需要，而超聲波加工卻需要0.010.1 mm的振的振幅，因此必須用上粗下細(xì)幅，因此必須用上粗下細(xì)(按指數(shù)曲線設(shè)計(jì)按指數(shù)曲線設(shè)計(jì))的變幅桿放大振的變幅桿放大振幅。變幅桿應(yīng)用的原理是：因?yàn)橥ㄟ^(guò)變幅桿的每一截面的振幅。變幅桿應(yīng)用的原理是：因?yàn)橥ㄟ^(guò)變幅桿的每一截面的振動(dòng)能量是不變的，所以隨著截面積的減小，振幅就會(huì)增大。動(dòng)能量是不變的，所以隨著截面積的減小，振幅就會(huì)增大。 變幅桿的常見(jiàn)形式如圖變幅桿的常見(jiàn)形式如圖3所示，加工中工具頭與變幅桿相所示，加工中工

9、具頭與變幅桿相連，其作用是將放大后的機(jī)械振動(dòng)作用于懸浮液磨料對(duì)工件連，其作用是將放大后的機(jī)械振動(dòng)作用于懸浮液磨料對(duì)工件進(jìn)行沖擊。工具材料應(yīng)選用硬度和脆性不很大的韌性材料，進(jìn)行沖擊。工具材料應(yīng)選用硬度和脆性不很大的韌性材料，如如45#鋼，這樣可以減少工具的相對(duì)磨損。工具的尺寸和形鋼，這樣可以減少工具的相對(duì)磨損。工具的尺寸和形狀取決于被加工表面，它們相差一個(gè)加工間隙值狀取決于被加工表面，它們相差一個(gè)加工間隙值(略大于磨料略大于磨料直徑直徑)。超聲波加工超聲波加工(a) 錐形(b) 指數(shù)形(c) 階梯形圖3 幾種形式的變幅桿 超聲波加工超聲波加工3) 機(jī)床本體和磨料工作液循環(huán)系統(tǒng)機(jī)床本體和磨料工作液

10、循環(huán)系統(tǒng) 超聲波加工機(jī)床的本體一般很簡(jiǎn)單，包括支撐聲學(xué)部超聲波加工機(jī)床的本體一般很簡(jiǎn)單，包括支撐聲學(xué)部件的機(jī)架、工作臺(tái)面以及使工具以一定壓力作用在工件件的機(jī)架、工作臺(tái)面以及使工具以一定壓力作用在工件上的進(jìn)給機(jī)構(gòu)等；磨料工作液是磨料和工作液的混合物。上的進(jìn)給機(jī)構(gòu)等；磨料工作液是磨料和工作液的混合物。常用的磨料有碳化硼、碳化硅、氧化硒或氧化鋁等；常常用的磨料有碳化硼、碳化硅、氧化硒或氧化鋁等；常用的工作液是水，有時(shí)用煤油或機(jī)油。磨料的粒度大小用的工作液是水，有時(shí)用煤油或機(jī)油。磨料的粒度大小取決于加工精度、表面粗糙度及生產(chǎn)率的要求。取決于加工精度、表面粗糙度及生產(chǎn)率的要求。超聲波加工超聲波加工3超聲

11、波加工的加工速度及其影響因素超聲波加工的加工速度及其影響因素加工速度是指單位時(shí)間內(nèi)去除的材料量，單位為加工速度是指單位時(shí)間內(nèi)去除的材料量，單位為g/min或或mm3/min。 影響因素：影響因素： 1）工具振幅和頻率）工具振幅和頻率 超聲波可傳遞很強(qiáng)的能量，加工能量同振幅和頻超聲波可傳遞很強(qiáng)的能量，加工能量同振幅和頻率呈正比，大的振幅和高的頻率可以獲得大的加工能率呈正比，大的振幅和高的頻率可以獲得大的加工能量，但過(guò)大的振幅和高的頻率會(huì)使工具和變幅桿承受量，但過(guò)大的振幅和高的頻率會(huì)使工具和變幅桿承受很大的內(nèi)應(yīng)力，從而降低其使用壽命，一般的振幅為很大的內(nèi)應(yīng)力，從而降低其使用壽命，一般的振幅為0.0

12、1 0.1mm，頻率在，頻率在16 000 25 000Hz之間。之間。超聲波加工超聲波加工 2）進(jìn)給壓力）進(jìn)給壓力 在加工時(shí)，應(yīng)使工具對(duì)工件保持一個(gè)合適的進(jìn)給在加工時(shí)，應(yīng)使工具對(duì)工件保持一個(gè)合適的進(jìn)給壓力。壓力過(guò)小，則工具末端與工件加工表面的間隙壓力。壓力過(guò)小，則工具末端與工件加工表面的間隙過(guò)大，減小了磨料對(duì)工件的撞擊力和打擊深度；壓力過(guò)大，減小了磨料對(duì)工件的撞擊力和打擊深度；壓力過(guò)大，則工具末端與工件加工表面的間隙減小，磨料過(guò)大，則工具末端與工件加工表面的間隙減小，磨料和工作液不能順利循環(huán)更新，都會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)率下降。和工作液不能順利循環(huán)更新，都會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)率下降。 3）磨料種類(lèi)和粒度）磨料種類(lèi)

13、和粒度 磨料硬度愈高，加工速度愈快；磨料粒度愈粗，磨料硬度愈高，加工速度愈快；磨料粒度愈粗，加工速度愈快，精度和表面粗糙度愈差。加工速度愈快，精度和表面粗糙度愈差。超聲波加工超聲波加工 4）磨料懸浮液濃度）磨料懸浮液濃度 磨料懸浮液中磨料濃度低，加工間隙內(nèi)磨粒少，磨料懸浮液中磨料濃度低，加工間隙內(nèi)磨粒少，特別在加工面積和深度較大時(shí)可能造成加工區(qū)局部無(wú)特別在加工面積和深度較大時(shí)可能造成加工區(qū)局部無(wú)磨料的現(xiàn)象，降低加工速度；隨著磨料懸浮液中磨料磨料的現(xiàn)象，降低加工速度；隨著磨料懸浮液中磨料濃度的增加，加工速度也增加；但濃度過(guò)高，磨料在濃度的增加，加工速度也增加；但濃度過(guò)高，磨料在加工區(qū)的循環(huán)更新和

14、對(duì)工件的撞擊運(yùn)動(dòng)受到影響，又加工區(qū)的循環(huán)更新和對(duì)工件的撞擊運(yùn)動(dòng)受到影響，又會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)率下降。通常采用的濃度為磨料對(duì)水的重會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)率下降。通常采用的濃度為磨料對(duì)水的重量比約量比約0.5 1左右。左右。 5）工件材料）工件材料 材料愈脆，則承受沖擊載荷的能力愈低，愈容易材料愈脆，則承受沖擊載荷的能力愈低，愈容易加工，反之，韌性愈好的材料則不易加工。加工，反之，韌性愈好的材料則不易加工。超聲波加工超聲波加工4超聲波加工的加工精度超聲波加工的加工精度超聲波加工的加工精度，除受機(jī)床、夾具精度影超聲波加工的加工精度，除受機(jī)床、夾具精度影響之外，主要與磨料粒度、工具精度及其磨損程度、響之外，主要與磨料粒度

15、、工具精度及其磨損程度、工具橫向振動(dòng)的大小、加工深度、被加工材料性質(zhì)等工具橫向振動(dòng)的大小、加工深度、被加工材料性質(zhì)等因素有關(guān)。孔的尺寸精度一般為因素有關(guān)。孔的尺寸精度一般為0.050.02 mm。5超聲波加工的表面質(zhì)量超聲波加工的表面質(zhì)量 超聲波加工具有較好的表面質(zhì)量，不會(huì)產(chǎn)生表面超聲波加工具有較好的表面質(zhì)量，不會(huì)產(chǎn)生表面燒傷和表面變質(zhì)層。超聲波加工的表面粗糙度取決于燒傷和表面變質(zhì)層。超聲波加工的表面粗糙度取決于每顆磨粒每次撞擊工件表面后留下的凹痕大小，它與每顆磨粒每次撞擊工件表面后留下的凹痕大小，它與磨粒直徑、工具振動(dòng)的幅度、磨料懸浮液的成分、被磨粒直徑、工具振動(dòng)的幅度、磨料懸浮液的成分、被

16、加工材料性質(zhì)等因素有關(guān)。表面粗糙度加工材料性質(zhì)等因素有關(guān)。表面粗糙度Ra值可達(dá)值可達(dá)1 0.1 m。超聲波加工超聲波加工6超聲波加工的應(yīng)用超聲波加工的應(yīng)用超聲波加工的生產(chǎn)率雖然比電火花、電解加工等超聲波加工的生產(chǎn)率雖然比電火花、電解加工等低，但其加工精度和表面粗糙度都比它們好，而且能低，但其加工精度和表面粗糙度都比它們好，而且能加工半導(dǎo)體、非導(dǎo)體的脆硬材料，如玻璃、石英、寶加工半導(dǎo)體、非導(dǎo)體的脆硬材料，如玻璃、石英、寶石、鍺、硅甚至金剛石等。在實(shí)際生產(chǎn)中，超聲波廣石、鍺、硅甚至金剛石等。在實(shí)際生產(chǎn)中，超聲波廣泛應(yīng)用于型泛應(yīng)用于型(腔腔)孔加工孔加工(如圖如圖4所示所示)、切割加工、切割加工(如圖如圖5所所示示)、清洗、清洗(如圖如圖6所示所示)等方面。等方面。超聲波加工超聲波加工圖圖4 超聲波加工的型孔、腔孔類(lèi)型超聲波加工的型孔、腔孔類(lèi)型(a) 加工圓孔(b) 加工型腔(c) 加工異形孔(d)